混合七電平T2C-HB 轉(zhuǎn)換器的新空間矢量調(diào)制方案

基于碳化硅 (SiC) 的多電平轉(zhuǎn)換器受到了很多關(guān)注，2-5由于新興的 SiC 功率模塊，它們顯示出較小的功率損耗和高阻斷電壓。中性點(diǎn)鉗位 (NPC) 轉(zhuǎn)換器6與 H 橋轉(zhuǎn)換器或 T 型轉(zhuǎn)換器7級(jí)聯(lián)是混合轉(zhuǎn)換器，它允許減少流經(jīng)設(shè)備的電壓或電流量并提高輸出電壓。多級(jí)空間矢量調(diào)制 (SVM) 為中壓應(yīng)用提供了高度的靈活性，以實(shí)現(xiàn)電壓平衡和電位優(yōu)化。但是復(fù)雜的電壓向量空間和高冗余使計(jì)算復(fù)雜化。相反，SVM 方案簡(jiǎn)單、高效，并減少了計(jì)算負(fù)擔(dān)。在屬于電壓矢量空間的六個(gè)扇區(qū)中進(jìn)行的計(jì)算已被簡(jiǎn)化并減少到只有一個(gè)扇區(qū)。這意味著剩余五個(gè)扇區(qū)中的向量可以轉(zhuǎn)換為可以在第一個(gè)扇區(qū)中找到的向量。原始文章可以在這里找到。

T2C-HB 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

圖1清楚地表示了三相七電平混合T 2 C-HB變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1在此拓?fù)渲?，T 型轉(zhuǎn)換器用作具有連續(xù)直流鏈路電壓的主電源。1 T 型轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)帶浮動(dòng)電容器的 H 橋。1

圖 2顯示了 T 2 C-HB的開關(guān)狀態(tài)。正方向的輸出電流與負(fù)方向相同，只是輸出電壓在負(fù)周期為–3U dc /4，在正周期為3U dc /4。1

圖 1：T 2 C-HB 轉(zhuǎn)換器

圖 2：混合 T 2 C HB 轉(zhuǎn)換器的不同開關(guān)狀態(tài)

支持向量機(jī)方案

圖 3清楚地表示了七電平轉(zhuǎn)換器的扇區(qū) 1。它是 120° 坐標(biāo)系中的空間向量圖。1圖 3顯示了由最近的三個(gè)頂點(diǎn)向量包圍的調(diào)制三角形，V REF是旋轉(zhuǎn)參考向量。1

除了相電壓輸出–3U dc /4 和3U dc /4之外，相電壓輸出中還存在兩條冗余傳導(dǎo)路徑，以及不等的浮動(dòng)電容器充電和放電效應(yīng)。1每個(gè)頂點(diǎn)向量都有許多冗余的切換狀態(tài)，為了讓事情更簡(jiǎn)單更容易，圖 3 中只顯示了其中一個(gè)。圖 4顯示了參考矢量位置類型 I 和類型 II 的兩種切換三角形。圖 4還包括兩種調(diào)制三角形的不同切換序列路徑。

圖 3：空間矢量圖

圖 4：I 型和 II 型拓?fù)?/p>

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SVM 方案的有效性已以三相 T 2 C 轉(zhuǎn)換器原型的形式按比例縮小。圖 5表示混合轉(zhuǎn)換器的直流側(cè)，它由恒定的 1,000 VDC 電源供電，三相交流側(cè)連接到三相 RL 負(fù)載（RL = 100 Ω，LL = 7.7 mH 每相) 的功率因數(shù)為 0.9996。1其實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。Wolfspeed C2M0160120D (1.2 kV, 19 A) SiC MOSFET 的每個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通電阻為 160 mΩ。9該 MOSFET 用于按比例縮小的混合轉(zhuǎn)換器的原型，如圖7所示。1

原型包括三相 T 型轉(zhuǎn)換器和三個(gè) H 橋。實(shí)驗(yàn)設(shè)置采用的調(diào)制指數(shù)為 0.7，在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)了 1 μs 的死區(qū)時(shí)間。1這樣做是為了避免任何短路，這種短路很容易由與 PWM 互補(bǔ)柵極信號(hào)附帶的 MOSFET 相關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷延遲時(shí)間引起。1

圖 5：測(cè)試電路

圖 6：實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖 7：三相 T 2 C-HB 轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

結(jié)論

本文展示并分析了用于中壓并網(wǎng)應(yīng)用的具有級(jí)聯(lián) H 橋的三相混合 T 型轉(zhuǎn)換器的計(jì)算高效 SVM 方案。與傳統(tǒng)的多級(jí) SVM 相比，在 SVM 中已經(jīng)觀察到許多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括降低復(fù)雜性、不必要的查找表恢復(fù)以及數(shù)字控制器的少量?jī)?nèi)存消耗。七級(jí)空間矢量圖需要對(duì)任意調(diào)制三角形進(jìn)行該方案的廣義開關(guān)序列和占空比計(jì)算。

最后，所提出的 SVM 方案的性能已通過按比例縮小原型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。

審核編輯：湯梓紅